生物质三组分在O2/CO2气氛下的着火行为研究

生物质的富氧燃烧技术结合了生物质燃烧与富氧燃烧的优点,既能减少化石燃料的使用,又易实现CO₂捕集。富氧燃烧的最显著特点是气氛中的氧气体积分数大于21%,其对生物质着火行为的影响至关重要。纤维素、半纤维素和木质素是生物质的3种主要组分,研究其在富氧条件下的着火及燃烧行为,可为生物质的着火及燃烧行为研究提供重要依据。利用滴管炉结合高速摄像机,研究了粒径74~154μm的纤维素、半纤维素和木质素在温度1273 K,氧气体积分数21%、30%、50%、70%和100%的O₂/CO₂气氛中的着火行为,并利用辐射能测温技术计算着火图片中的颗粒温度。结果表明,随着O₂体积分数增加,纤维素、半纤维素由联合着火以及木质素由均相着火均转为非均相着火,纤维素、半纤维素、木质素着火机理发生转化的O₂体积分数分别为30%、70%和50%。纤维素着火对O₂体积分数变化敏感,氧气体积分数超过30%时,纤维素焦率先发生着火。半纤维素和木质素的升温速率随氧气体积分数的升高而提高,半纤维素是由于挥发分在燃烧过程中随着氧气体积分数的增加,其燃烧比例减弱,焦燃烧比例增加,而木质素因为氧气体积分数的升高强化了木质素焦燃烧。半纤维素和木质素燃烧时间均随氧气体积分数的升高而缩短,两者都是由于氧气体积分数升高强化了焦的燃烧。另外,在较高氧气体积分数下木质素焦会发生熔融并膨胀,形成明显的膨胀火焰。     

亚临界水中综纤维素-木质素相互作用对木粉水解产物分布影响研究

生物质组分复杂,各组分之间存在着共价键等相互作用,因而它在水解过程中不仅涉及到纤维素、半纤维素和木质素之间的相互作用,还涉及到它们水解产物之间的二次反应.基于此,本研究以木粉作为生物质代表,从中分离出综纤维素和木质素,对综纤维素、木质素、木综混合物以及木粉在亚临界水中的水解行为和产物分布进行了研究.研究发现当反应温度低...     

生物质三组分催化气化后焦油析出特性研究

以生物质三组分(纤维素、半纤维素和木质素)为原料,白云石和碳酸钠为催化剂,在小型气流床气化炉上开展实验研究。通过气相色谱质谱仪(GC-MS)分析焦油组成和含量,研究催化剂对3组分气化焦油析出特性的影响。结果表明,木质素的焦油产率远高于纤维素和半纤维素。白云石和碳酸钠对半纤维素的降焦油效果均十分显著,但两者的机理存在差异;碳酸钠对纤维素存在一定抑制作用。2种催化剂对纤维素和木质素气化焦油组成含量影响不大,但碳酸钠显著降低了半纤维素气化焦油中杂项碳氢类物质的相对含量。研究表明,不同催化剂对生物质某一组分的降焦油效果存在明显差异,同一催化剂对3组分的降焦油效果也可能完全不同。     

探头式超声辅助碱性H2O2处理对蔗渣纤维素影响

采用探头式超声辅助碱性H₂O₂处理蔗渣,探讨NaOH质量分数、H₂O₂质量分数、反应时间及反应温度对蔗渣纤维素含量和结晶度影响,同时用SEM、FTIR和固体核磁分析处理后蔗渣微观形态结构,并用HPLC测定纤维素、半纤维素和木质素含量。结果表明,NaOH质量分数10%,H₂O₂质量分数0.9%,反应时间80 min,反应温度200℃,超声功率200 W及超声时间20 min处理蔗渣,纤维素含量(91.63±3.03)%,结晶度(73.08±0.72)%,分别提高45.19%和18.2%;SEM表明蔗渣表面出现沟壑;FTIR表明纤维素特征峰增强,木质素和半纤维素特征峰和固体核磁信号峰减弱。说明探头式超声辅助碱性H₂O₂较完全降解蔗渣木质素和半纤维素,提高纤维素含量,增加其有效接触面积。     

O_2/CO_2气氛下生物质三组分的燃烧特性

采用热重分析法对生物质三组分(纤维素、半纤维素和木质素)进行O_2/CO_2燃烧特性实验,分析了不同气氛(O_2/N_2和O_2/CO_2)、氧体积分数(10%,21%和40%)和升温速率(10℃/min,20℃/min和30℃/min)对三组分O_2/CO_2燃烧特性的影响.结果表明:与O_2/N_2气氛相比,在O_2/CO_2气氛下三组分燃烧过程存在不同程度的延迟,主要体现在焦炭燃烧阶段;由于木质素焦炭质量分数较高,因此其燃烧延迟相较于纤维素和半纤维素更加明显.O_2/CO_2气氛下,由于三组分氧含量较高,氧体积分数增大对三组分挥发分燃烧阶段影响较小;而氧体积分数增大对焦炭燃烧阶段产生了明显的影响,使其向低温区移动,综合燃烧特性明显改善.O_2/CO_2气氛下,升温速率增大,三组分燃烧过程整体向高温区移动;在挥发分析出燃烧阶段,纤维素与半纤维素的失重速率显著增加,在焦炭燃烧阶段,木质素失重速率显著增加;三组分综合燃烧特性得到改善.相比于纤维素与半纤维素,木质素综合燃烧特性指数较低,综合燃烧特性相对较差.     

秸秆中木质素对其超低酸水解过程的影响

以湖北稻草秸秆为研究对象,研究了超低酸水解木质纤维素的适宜条件,测定了适宜条件下的超低酸法水解15种不同种类秸秆的纤维素及半纤维素的转化率、还原糖得率及结晶度的变化。实验结果表明:秸秆投料量3 g、硫酸投料量45 mL(硫酸质量分数0.05%)、搅拌转速500 r/min、反应温度210 ℃、反应时间10 min为适宜的水解条件。对15种不同种类秸秆的水解结果统计得到,随着秸秆中木质素含量的增大,纤维素和半纤维素的转化率都逐渐降低,还原糖得率逐渐降低;通过SEM和X衍射分析水解前后的木质纤维素结构,得到了木质素影响水解过程的方式:1)木质素含量越大,纤维素的结晶度越大,纤维素的非晶化越困难,从而影响了纤维素的水解;2)原木质素不溶于反应体系且在酸性条件下相对稳定,富木质素层的木质素阻碍反应物与产物扩散,使富木质素层内的纤维素、半纤维素水解速率降低;3)木质素含量越高,木质纤维素的富木质素层越厚、强度越大,水解时难以从颗粒表面脱落,进一步降低水解速率。     

氧气辅助湿热预处理对玉米秸秆酒精发酵的影响

为了解氧气（O₂）在玉米秸秆湿热预处理中的作用,优化玉米秸秆酒精生产工艺,本文采用三种不同湿热预处理条件处理玉米秸秆,即条件1（195℃,15min）、条件2（195℃,15min,12bar O₂）和条件3（195℃,15min,12bar O₂,2g/L Na₂CO₃）,并利用酿酒酵母对预处理后的玉米秸秆同步糖化发酵酒精工艺（SSF）进行了研究。实验结果表明：经过预处理,玉米秸秆分为固体滤饼与水解液两部分,其中绝大部分纤维素以固体形式保留在滤饼中,而半纤维素和木质素由于不稳定则发生了部分水解或降解。三种预处理条件下纤维素总体收率分别为91.2%、94.6%和95.9%,半纤维素总体收率分别为74.5%、50.3%和68.2%,固体滤饼中木质素质量分数分别为25.2%、17.5%和13.7%,纤维素酶解葡萄糖率分别为64.8%、65.8%和67.6%。表明氧气对纤维素收率影响不大,能够促进半纤维素的溶出。氧气主要与木质素发生反应,尤其与碱性物质碳酸钠（Na₂CO₃）结合,能够促进木质素降解,从而获得了较高的纤维素收率和纤维素酶解葡萄糖率。因此在底物质量分数8%,经过酿酒酵母142h发酵,经条件3处理的玉米秸秆获得的酒精浓度最高,最终酒精浓度达到25.0g/L,并且整个发酵过程没有明显的抑制作用产生。     

玉米芯氨水预处理及酶解工艺研究

为有效提高木质纤维素酶解转化率,文中以玉米芯为研究对象,在常压中温下采用氨水浸泡工艺处理原料,考察了预处理条件对木质素脱除率和纤维素、半纤维素酶解转化率的影响规律。确定了最适预处理条件:氨水质量分数为15%、固液质量体积比为1∶6 g/mL、反应温度为60℃和预处理时间为12 h。该条件下纤维素、半纤维素回收率和木质素脱除率分别为94.5%,86.7%和48.1%;在每g葡聚糖加入30 FPU纤维素酶和60 CBUβ-葡萄糖苷酶条件下,酶解24 h后纤维素和半纤维素酶解转化率分别可达83.0%和81.6%。     

木质纤维生物质半纤维素分子模拟应用研究进展

木质纤维生物质资源是重要的可再生生物质资源,主要包含纤维素、半纤维素和木质素。半纤维素含量仅次于纤维素,是一种丰富、可再生的植物资源,其可水解制备重要化学品以及改性制备多功能材料。本文综述了生物质半纤维素分子模拟应用研究进展,从半纤维素大分子形态及其与纤维素结合方式的分子模拟研究和半纤维素制备化学品及材料的分子模拟研究2个方面进行阐述,从模拟结果可以看出半纤维素在细胞壁中与纤维素和木质素的相互作用及其本身的大分子形态对木质纤维生物质三大素的提取利用具有显著影响。分子模拟有利于理解过程机理,对反应效率的提高具有重要理论指导意义。最后对分子模拟在半纤维素研究的发展应用进行了展望,指出目前半纤维素分子模拟的空白领域,主要包括半纤维素液化生产生物油、木糖异构化生产木酮糖、半纤维素与木质素之间的结合方式以及其他的半纤维素基材料等,这些有待进一步的探索与研究。     

稀硫酸催化水解稻草秸秆半纤维素的研究

对稀硫酸催化水解稻草秸秆半纤维素进行了研究.考察了固液比、稀硫酸质量分数、反应温度、反应时间对半纤维素水解的影响.采用正交实验法,以总还原糖含量为考察指标,对实验结果进行直观和方差分析,探讨稀硫酸催化水解半纤维素的最优反应条件.结果表明,稀硫酸催化水解稻草秸秆半纤维素以固液比(质量体积比)1:10、稀硫酸质量分数25%、反应温度95℃、反应3h为最优条件,在此条件下,10g稻草秸秆粉末水解得到总还原糖2.704g,总还原糖收率达94.9%.     

TG study on pyrolysis of biomass and its three components under syngas

Pyrolysis of sawdust and its three components (cellulose, hemicellulose and lignin) were performed in a thermogravimetric analyzer (TGA92) under syngas and hydrogen. The effect of different heating rates (5, 10, 15 and 20 °C/min) on the pyrolysis of these samples were examined. The pyrolysis tests of the synthesized samples (a mixture of the three components with different ratios) were also done under syngas. The distributed activation energy model (DAEM) was used to study the pyrolysis kinetics. It is found that syngas could replace hydrogen in hydropyrolysis process of biomass. Among the three components, hemicellulose would be the easiest one to be pyrolyzed and then would be cellulose, while lignin would be the most difficult one. Heating rate could not only affect the temperature at which the highest weight loss rate reached, but also affect the maximum value of weight loss rate. Both lignin and hemicellulose used in the experiments could affect the pyrolysis characteristic of cellulose while they could not affect each other obviously in the pyrolysis process. Values of k₀ (frequency factor) change very greatly with different E (activation energy) values. The E values of sawdust range from 161.9 to 202.3 kJ/mol, which is within the range of activation energy values for cellulose, hemicellulose and lignin.     

超临界水中氨基乙酸的气化产氢特性

鉴于湿生物质如食品加工工业残余物和城市污泥中含有大量蛋白质的情况,以氨基乙酸作为蛋白质的模型化合物进行超临界水气化实验,研究了反应温度和反应时间耦合条件下Na₂CO₃的催化特性以及氨基乙酸气化产物特性。结果表明：添加Na₂CO₃会增大氨基乙酸的气化效率、氢气的体积分数和产率以及反应后液体化学需氧量（COD）的去除率,且添加质量分数为0.1%时的催化效果优于0.2%;Na₂CO₃主要是对H₂产率产生影响,其催化机理与已有碱性化合物的催化机理不同,可能是通过促进氨基乙酸的水解产物（甲酸）的脱羧反应来提高H₂的产率;氨基乙酸气化效率可达99.4%,生成物包括H₂、CO₂、N₂、CH₄和C₂～C₃气体,其中H₂的体积分数可超过50%,产率可达1.8 L·g^-1,且超过一半的份额来源于水,反应后液体清澈透明,COD和pH值指标均可以达到《生活杂用水水质标准》,可以进行回收利用。     

近-超临界水中Ni/ZrO2催化气化聚乙二醇水溶液的产氢特性

在连续流超临界水反应器中,以Ni/ZrO₂为催化剂,以聚乙二醇（polyethylene glycol,PEG）水溶液作为研究对象,考察了近-超临界状态下的有机质气化产氢特性。实验结果显示,PEG的气化产物主要成分为H₂、CO、CH₄和CO₂;其中,当加入90 g 15% Ni/ZrO₂时,在430℃、压力24 MPa、停留时间300 s的条件下,可以生成70.14 mmol H_2^·（g PEG）^-1,为不加入催化剂时的5.1倍,为加入90 g ZrO₂时的2.6倍,相应的TOC去除率、碳气化率和氢气化率分别达到88.84%、88.50%和169.40%;增大活性组分Ni的质量分数可以提高气化效果,在410℃、压力24 MPa、停留时间180 s的条件下,Ni质量分数从5%提高到15%时,TOC去除率、碳气化率和氢气化率分别从45.31%、44.55%和78.25%提高到58.66%、58.16%和112.49%;反应温度的上升和停留时间的延长对气化效果有正影响,明显提高H₂的摩尔产率;PEG浓度的上升可抑制水气转换反应并促进甲烷化反应的进行而导致其气化效率下降,其中,H₂产量急剧下降,CO₂产量先上升后下降,而CH₄产量随PEG浓度上升而上升。研究结果证明了所研制的Ni/ZrO₂催化剂在近-超临界水中对PEG的催化气化特别是产H₂表现出高活性,在达到相同反应效率前提条件下使反应温度降低约80℃。     

基于显微红外成像技术的碱处理丝瓜络纤维的研究

为了更好地研究碱处理浓度对丝瓜络成分的影响,采用显微红外成像技术对不同浓度碱处理后的丝瓜络进行表征。研究结果表明,碱处理可有效去除丝瓜络中的半纤维素,从而使纤维素含量增加。碱处理2 h条件下,5%的碱溶液即可去除丝瓜络中绝大部分的半纤维素,对于木质素去除也有一定效果;继续提高碱处理浓度并不会进一步降低半纤维素含量,且对木质素去除也没有明显效果,木质素相对含量反而有所上升。与传统的红外光谱法相比,采用显微红外成像技术可研究不同碱处理后丝瓜络中的半纤维素、木质素和纤维素在各扫描微区的组分分布情况,使丝瓜络纤维在碱处理前后形貌及其含量分析表达更加直观,具有图谱合一、可视性、高灵敏度等优点。     

Kinetic study on the thermal degradation of a biomass and its compost: Composting effect on hydrogen production

Compost from vegetable residues is usually used as an organic amendment to soil; however, their thermal degradation characteristics show that it could be used as raw material in air gasification facilities. According to the obtained data, hydrogen production is positively affected by composting, increasing hydrogen concentration in the raw gas from 15.2 to 22.6 vol%. This effect is related with physicochemical changes that occur during thermophilic stage of composting. After this step it does not observes any progress on hydrogen production.On the other hand, in order to compare thermal degradation of a biomass (Leucaena leucocephala) and two composts with different maturation levels, non-isothermal thermogravimetric analysis (TGA) has been used. Under inert atmosphere, data have been adequately simulated assuming three fractions (hemicellulose, cellulose and lignin) in both biomass and composts. However, under air atmosphere we have used a simplified model that assume two components in biomass (holocellulose and lignin) and three in composts (including humic substances). Using nth-order kinetic equations to describe component degradations, we have calculated a set of kinetic parameters which do not differ of the reported for other lignocellulosic materials. This procedure allows obtaining an approximate composition of samples.     

热解温度对纤维素和木质素成炭结构的影响

从纤维素、木质素和半纤维素热解转化特征及分子重构建行为着手,利用TG、TEM、Raman、XRD、FT-IR等分析手段探究这3种物质的热解炭化机理.实验结果表明:半纤维素在炭化过程中几乎完全分解;链状结构的纤维素热分解脱除氢氧后,形成的碳自由基发生芳构化重排,大部分构成生物质热解炭中的结晶区;木质素分子结构复杂,呈交联...     

Biomass gasification in supercritical water: Part 1. Effect of the nature of biomass

In this study, biomass feedstocks, including lignocellulosic materials and the tannery wastes, were gasified in supercritical water. Gasification experiments were performed in a batch autoclave at 500 °C. The amount of gases, the gas compositions and the amount of water soluble compounds from gasification were determined. The hydrogen yields ranging between 4.05 and 4.65 mol H₂/kg biomass have been obtained. The results showed that the yields and composition of gases depend also on the organic materials other than cellulose and lignin in lignocellulosic material. In addition to this, it was concluded that the kind of lignin may also have an effect on gasification products. In the case of tannery wastes, the type of tannen agent used in leather production considerably effected the gasification results.